IEG 환경지질연구정보센터

제주도 한림지역의 지하수와 토양의 오염특성

현근탁¹*·송상택¹·좌달희¹·고영환²

1제주특별자치도환경자원연구원 환경산업경영연구부, ²제주대학교 식품생명공학과

Characteristics of Groundwater and Soil Contamination in Hallim Area of Jeju Island

Geun-Tag Hyun¹*·Sang-Tak Song¹·Dal-Hee Joa¹·Yong-Hwan Ko²

1

Environmental Industry & Management Research Department

2

Department of food Science and Engineering Jeju national university

ABSTRACT

Contamination of groundwater from point and non-point sources is one of major problems of water resource manangement in Jeju island. This study characterized groundwater and soil contamination in Hallim area which is one of the areas of significantly contaminated soil and groundwater in Jeju Island. The amount of loaded contaminant (ALC) of Jeju area was estimated as 13,212 ton N/yr and 3,210 ton P/yr, The ALC of Hallim area was amounted to 2,895 ton N/yr and 1,102 ton P/yr, which accounted for 21.9% and 34.3% of the Jeju's ALC, respectively. The soil pH values (5.6-5.9) were not much different in land use areas. By contrat, average cation exchange capacity (CEC) of 14.1 cmol

⁺

/kg was high comparing to the nationwide range of 7.7-10.9 cmol

⁺

/kg. Further, Sodium adsorption ratios (SARs) of horse ranch, pasture, and cultivating land for livestock were as high as 0.19, 0.17, and 0.16 respectively, comparing to the other landuse areas. Nitrate nitrogen at 22.2% of total groundwater wells exceeded 10 mg/L (the criteria of nitrate nitrogen for drinking water), averaginged 6.62 mg/L with maximum 28.95 mg/L. Groundwater types belonged to Mg-HCO

3

, Na-HCO

3

, Ca- HCO

³

, and Na-Cl, among which Mg-HCO

³

type occupied more than 70% of the total samples, indicating the presence of anthropogenic sources. The concentration of nitrate nitrogen was negatively related to altitude and well depth, and positively related to the concentration of Ca, Mg, and SO

4

which might originate from chemical fertilizer. The ratio of nitrogen isotopes was estimated as an average of 8.10‰, and the maximum value of 17.9‰. According to the nitrogen isotope ratio, the most important nitrogen source was assessed as chemical fertilizer (52.6%) followed by sewage (26.3%) and livestock manures (21.1%).

Key words :

Amount of loaded contaminant (ALC), SAR (Sodium adsorption ratio), Cation exchange capacity (CEC), Nitrate nitrogen, Chemical fertilizer, Livestock manures

1. 서 론

최근에지하수·토양오염의문제는 사람의건강보호에 대한 영향이라는측면 뿐만아니라 토지의자산가치에 대 한 영향과 공장부지 등의 유동화 저해 등 사회경제적인 문제의 하나로 크게 대두되고 있다

.

^{또한 인간의 활동에}

따라 육상생태계에부하되는질소는약

100

년사이에급 격히 증가하고있다

.

지금까지질소가제한요인이 되었던육상생태계에있어 서인위적인 질소부하가증가함에 따라 지하수의질산오 염과 하천의 부영양화를일으키는 등환경악화의원인으 로 되고 있다

.

^{질소의 증가는 생태계내의 질소순환과 다}

른원소의움직임에 영향을미쳐생태계내의화학적성질 을변화시키고

,

^{생산성과생물상의특성에도영향을미치}

고있다

(

일본지하수학회

, 2006).

그리고질소부하와 그영 향에대한실태파악을 위해다양한조사와연구가실시되

*Corresponding author : [email protected]

원고접수일 : 2010. 1. 28 심사일 : 2010. 2. 17 게재승인일 : 2010. 6. 7 질의 및 토의 : 2010. 8. 31 까지

리계획지침

”

의기술지침에 따라

GIS

을 이용한 소유역별 발생및배출오폐수부하량을자동으로산정하는 수질관 리지원시스템이개발되었다

.

본연구는 제주지역내에서지하수 오염우려가높은 양 돈장과우사등축산시설이과밀하게분포되어있는지역 이면서 악취등민원이 자주발생하는 곳인제주시 한림 읍지역을대상으로환경오염원에대한부하량

,

지하수및 토양 특성을규명하기위해 수행하였다

.

2. 대상지역 및 방법 2.1.연구대상지역

축산시설등환경오염원비율이상대적으로높고

,

지하

토양시료는한림지역내각지목별로

90

개지점에대해 시료채취하였으며

(Fig. 1),

채취된 토양생시료를 자갈및협잡물을 제거한후흔

합하여

2 mm

체를 통과시켜 분석시료로 하였다

.

조사항

목은수소이온농도

(pH),

총질소

(T-N),

유효인산

(P

2

O

5

), Ca, K, Mg, Na,

양이온치환용량

(CEC),

나트륨흡착비

(SAR)

를 조사하였으며

,

분석방법은 토양화학분석법

(

김동수 외

, 1988)

에의하였다

.

2.2.2.

지하수수질조사

지하수 수질조사대상은한림지역

31

개관정을선택하 였다

(Fig. 1).

조사항목은

K, Na, Mg, Ca, HCO

3

, Cl, SO

4

, NO

3

-N, NH

3

-N, Br

을조사하였으며 측정분석은 이

Fig. 1.

Location of groundwater and soil samplings.

온크로마토그래피

(

인성

IC Model 2007)

로분석하였다

.

또 한동위원소인 δ¹⁵

-N

^{는시료중의질산성질소를}

Kjeldahl

^법

에 의하여 데발다합금분말을 가하여 암모니아성 질소로 환원시켜 증류액을 포집한 후그증류액을

80

^o

C

^이하에

서

1 mL

로농축시키고

,

이농축된시료는 고진공상태의

질소가스정제장치에서

NaOBr

^{과반응시켜질소가스를생}

성시키고정제한다음정밀동위원소비측정용질량분석계

(Finnigan Delta-plus)

^{를이용하여 분석하였다}

.

3. 결과 및 고찰 3.1.환경오염원

한림지역 내 환경오염원으로는 축산가공 공장

13

개소 등

47

^{개의 폐수배출시설}

,

^도전체의

23.7%

^{에 해당되는}

7,111

두의 소

,

돼지는

45.2%

인

192,280

두가 사육되고 있 고이들축사에서는 퇴·액비가발생되어 농가에환원되 는시설이 운영되고 있으며

,

잘못 이용될시 타지역보다 환경오염잠재성이크다고볼수있다

.

그외쓰레기처리장이

1

개소

,

위생처리장

1

개소

,

유기질 비료제조시설

2

개소

,

건설폐기물처리시설

1

개소

,

가축분뇨 공공자원화시설

1

개소

,

가축분뇨공공처리시설

1

개소가있다

.

3.2.질소·인발생부하량

3.2.1.

제주지역

제주지역 각구조계별 질소 및 인발생부하량은

Fig. 2

과같으며

,

질소발생부하량은

13,212 ton/yr

이고

,

인발생부 하량은

3,210 ton/yr

으로 산정되었다

.

이것은 윤동민 등

(2005)

이보고한우리나라총유입질소량

0.9%

에해당되

는것이다

.

구조계별로살펴보면 축산계

49.8%

로가장 높고

,

농지

계

24.0%,

생활계

20.4%

순으로 나타났다

.

따라서 제주 지역전체적으로볼때질소나인의발생부하량은

1

^차산

업인 축산계에서 절반정도차지하고 있어 환경오염잠재 성이 크다고볼수있다

.

3.2.2.

^한림지역

한림지역에각구조계별질소및인발생부하량을산정 한 결과

(Fig. 2)

^질소가

2,895 ton/yr

^{로 제주도 전체의}

21.9%,

인은

1,102 ton/yr

으로

34.3%

를 차지하고 있다

.

또한 구조계별는축산계가

89.3%

^{로비중이매우 높으며}

,

도전체적으로는

39.3%

로높게 나타나고있다

.

3.3.토양의화학적특성

조사지역내 토양의용도지역별 토양 중의 화학적특성 은

Table 1

과같다

.

수소이온농도

(pH)

^는

5.6~5.9

^{로용도지역 간 차는 크지}

않았으며

,

우리나라 답의 유형별 토양산도가 특이산성과 염해를 제외한 지역이

5.4~6.0

이라는 결과

(

농진청

, 1989)

와유사하였다

.

토양중양분의흡수

,

보수력의척도라고할수있는양 이온치환용량

(CEC)

은도내평균

14.1 cmol

⁺

/kg

으로우리 나라 토양 중

CEC

가

7.7~10.9 cmol

⁺

/kg

이라는 보고 보 다다소 높았으나화산회토에서는

13.4 cmol

⁺

/kg

라는 결 과

(

농진청

, 1989)

와는 유사하였다

.

유기물함량은목장

,

사료작물및야초지가

10.5~12.8%

로 타용도지역보다 높았으며

,

육지부 토양

2.2~2.4%(

농 진청

, 1989)

에비해최대

5

배이상유기물함량이높은것 으로 조사되었다

.

총질소는평균

0.43%

였으며 최대

1.00%

까지 조사되었

다

.

이는액비시용에 따라

T-N

이

0.198%

로토양개선효과 Fig. 2.

The amount of loaded contaminant (ALC) of total nitrogen and phosphorus.

가 있었다는 전병태 외

(1995)

^{의 결과 보다 높았다}

.

^인산

염인은평균

289.3 mg/kg

으로우리나라농경지토양중유

효인산함량이

101.0 ppm

^{이라는김동암등}

(1991)

^의보고나

농진청

(1989)

이

73~123 mg/kg

이라는 보고 보다 약

3

배 높게 함유된것으로조사되었으며

,

^{감귤원과농경지토양}

에서 인산이각각

603 mg/kg

과

417.2 mg/kg

으로 가장높 게함유되고있는 것으로조사되었다

.

이러한결과는인산질비료의주기적살포와제주토양 특성이인산고정력이높은알로판으로구성되어있어토 양중에높게축적된때문으로사료된다

.

이에 비해비료 살포가 거의 없는 산림

,

^{말방목지나 야초지는 각각}

7.4 mg/kg, 23.0 mg/kg

및

43.7 mg/kg

으로 매우 낮은 농도를 보였다

.

나트륨흡착비

(SAR, sodium adsorption ratio)

는토양내 나트륨

(Na

⁺

),

^칼슘

(Ca

⁺⁺

)

^{과마그네슘}

(Mg

⁺⁺

)

^{과의비율로농}

업용수 수질지표로이용된다

.

^{토양중염류가집적되면토}

양수 중 염류에 의하여 삼투압이 증가되어 물의 흡수를 저해하고

Na

^{+염은 토양의 분산을 일으키게 하여 팽윤성}

도커서토양의물리성을나쁘게하며

, Ca

⁺⁺등의 집적은

길항 작용에의하여타양분의흡수를저해한다

. Table 1

에 의하면

SAR

값은 말방목

,

목장 및 사료작물재배지가 각각

0.19, 0.17

^및

0.16

^{으로타용도지역보다높게 나타}

났으나 양분흡수에는영향이 미치지 않은 미미한수준으 로사료된다

.

3.4.지하수수질특성

3.4.1.

채수시기별지하수수질

한림지역내

31

^{개지하수관정에 대해}

2008

^년

10

^월부터

2009

년

9

월까지

3

차에 걸쳐시료를 채수하여질산성질소 농도에 대한조사결과는

Fig. 3

^과같다

.

Fig. 3.

Spatial distribution of nitrate concentration in groundwater.

1

^{차 조사의 질산성질소농도는 평균}

6.87 mg/L

^였으며

,

W022

에서

25.83 mg/L

로최대 농도를보였고먹는물기준

10 mg/L

^{을초과한 관정도}

7

^{개소로 조사되었다}

.

강우시기전에조사한

2

차조사시질산성질소농도는평 균

6.33 mg/L,

^{최대농도는}

F128

^에서

17.98 mg/L

^{를 보였}

고먹는물기준초과관정은

5

개소 였다

.

강우후수질안정화시기인

3

^{차조사시질산성질소농도는}

평균

7.03 mg/L, W022

관정에서

28.95 mg/L

로 최대농도 를보였고먹는물기준초과관정은

8

^개소였다

.

따라서 질산성질소농도 변화는 크지는 않았으나 강후 직후인

3

^{차에다소높은것으로조사되어강우에의해지}

표오염물질이지하수에 다소 영향을 미치고있는 것으로 사료된다

.

Fig. 4

는채수시기별지하수유형을

Piper diagram

나타낸 것이다

.

2008

년

10

월에채수한지하수인경우

Na-HCO

3유형에 속하는 것은

F317, D128, GAM1, JEIL1, CH01, DS1, D280, F244, F458, F068

이었고

, Na-Cl

유형은

F315,

나머지는

Mg-HCO

3유형으로 나타났다

.

2009

년

6

월강우직전에채수한지하수인경우

Na-HCO

3

유형으로 조사된 것은

F315, D128, GAM1, JEIL1,

D128, CH1, F135

^이었고

, Ca-HCO

^3유형은

DS1,

^나머지

는

Mg-HCO

3유형으로나타났다

.

지하수수질의안정화시기인

2009

^년

10

^{월에채수한지}

하수인 경우

Na-HCO

3유형에 속하는 것은

F244, F315, F317, D128, GAM1, CS1

^이었고

, Ca-HCO

^{3 유형은}

DS1, Na-Cl

유형은

W022

나머지는

Mg-HCO

3유형으로 나타나 며

,

^정성욱등

(2003)

^{이조사한결과와일치하였다}

.

^전형적

인제주배경지하수의유형은

Ca

또는

Na

와

HCO

3가우

세하며

(

^송성준

, 2002),

^{이와 비교해보면한림내 대부분의}

지하수가

Mg-HCO

3유형을보이므로점차외부의인위적

인또는 자연적인오염이가해지고 있다고추정된다

. 3.4.2.

^{지하수관정깊이별질산성질소}

(NO

³

-N)

^분포

한림지역내 지하수관정의 굴착깊이에따른 질산성질소

의변화를알아보기 위해서조사해 보았다

(Fig. 5).

통계프로그램

(SPSS 12.0.1, 2004)

을이용하여질산성질 소에 대한 표고와 굴착깊이간에 상관관계를 분석하여보 았는데 표고 −

0.490,

굴착깊이 −

0.551

로 역상관성을 보

이고 있고 상관성은

0.01

이상의 높은유의성으로 조사

되었다

.

이는 표고

200 m

이상의 금악지역의 지하수인

경우 질산성질소의농도는

3.0 mg/L

이하로 현저히낮게 Fig. 4.

Piper diagrams of water type in groundwater.

조사되었고

,

^표고

100 m

^{근처에서는질산성질소}

10.0 mg/

L

이상 초과되는관정이

27

개시료중

7

개지점으로나타

났다

.

3.4.3.

^{질산성질소와이온성간상관관계}

지하수 중각성분의오염원인을 추정하는방법으로 화 학비료에 대한 오염여부판단 시상관매트릭스를비교하 여적용한다

(MOE, 2001).

Table 2

^{은질산성질소와이온성분간상관매트릭스를나}

타낸 것으로

Ca

과

Mg

은 질산성질소와 고도의 유의성

(p < 0.01)

^{을가지고있다}

.

^{또한칼슘과마그네슘은질소비}

료의 주성분인황산이온간에도

p < 0.01

이상의높은 상 관성을 갖는다

(SPSS 12.0.1, 2004).

^{이 지역에서는 질소}

비료와 더불어 토양의산성화를 방지하기위할 목적으로 칼슘

,

^{마그네슘을 주성분으로 하는 고토석회가 다량으로}

살포되어져있기때문에질산성질소와칼슘

,

마그네슘

,

황 산이온 등의사이에 높은상관성이나타난다

.

3.4.4.

^{질소안정동위소비}

(

^δ15

N)

^분석

질소에는 ¹⁴

N

와 ¹⁵

N

의

2

가지안정동위체가존재하고대 기중에서의존재비는

99.635%

^와

0.365%

^{로거의 일정하}

게 유지된다

.

질소공급원의 종류에 따라 두가지 안정동 위체의존재비가거의 일정한범위가되려는성질을가지 고있기 때문에이성질을 이용하여지하수의 질소공급

원을 추정할수있는 방법이다

(MOE, 2001).

질소안정동위체비는 δ¹⁵

N

로표현되어지고 δ¹⁵

N

치는대 상물질의 안정동위체비를 대기기준으로해서천분율로 나 타내는 것이고다음 식에따라 산출된다

.

δ¹⁵

N (‰) = {(R

시료

/ R

대기

)

−

1} × 1000

R =

¹⁵

N /

¹⁴

N, R

대기

: 3.663 × 10

⁻³

(= 0.365% ÷ 99.635%)

이 δ¹⁵

N

치는 강수 −

8~2‰,

화학비료 −

7.4~6.8‰,

가

축분뇨

10~22‰,

^{하수처리수}

8~15‰

^{등값으로보고되고}

있고

(Heaton, 1986, Yoneyama et al., 1986, Yamamoto

et al., 1995),

이것을이용하여지하수오염원을추정하고

있다

.

지하수 중의 질산성질소의기원을 찾기 위해 질산성질

소

5.0 mg/L

이상 검출된 관정

19

개소 수질을 질소안정

동위체비

(

δ¹⁵

N)

를분석한결과는

Table 3

에나타내었다

.

질소안정동위체비는 전체 평균치가

8.1‰

이었고

,

최대

17.9‰

까지 조사되었으며

, D280, F137, F314, F422

관 정인경우질소안정동위체비가

12.33~14.93‰

으로가축분

뇨의 오염으로 추정할 수있으며

, DS1

는

17.9‰

로높지

만주변 지역이 주거지역으로생활하수에 의한 영향으로 추정되었다

. F481, F046, F059, F090

은

6.16~7.92‰

로 주변농경지에의한화학비료의오염으로추정할수있으 며

, W022, JEIL1, D033

은

7.82~8.76‰

으로 생활하수에 의한 영향으로추정된다

.

Fig. 5.

Nitrate (NO

3

-N) variation of the groundwater depending

on well depth.

4. 결 론

본연구는 지하수오염우려가 높은 제주시한림읍지역 을 대상으로 환경오염 부하량 산정 등을 통하여 지하수 및토양의오염 특성을규명하였다

.

제주지역의질소발생부하량은

13,212 ton/yr

^이고

,

^인발생

부하량은

3,210 ton/yr

으로 산정되었다

.

이것은

2005

년도 우리나라 총 유입 질소량

1,442,254 ton/yr

^의

0.9%

^{에 해}

당되는 것이다

.

한림지역의 질소와 인발생부하량은 각각 제주지역의

21.9%

^및

34.3%

^{로조사되었다}

.

^토양의

pH

^는

5.6~5.9

로용도지역간차는 크지않았으며

,

양이온치환용

량

(CEC)

^{은 평균}

14.1 cmol

⁺

/kg

^{으로 우리나라 토양 중}

CEC 7.7~10.9 cmol

⁺

/kg

보다 다소 높았다

.

나트륨흡착비

(SAR)

^{는 말방목}

,

^{목장 및 사료작물재배지가 각각}

0.19,

0.17

및

0.16

으로타용도지역보다높게나타났다

.

지하수 내 질산성질소의 먹는물 기준

(10.0 mg/L)

^{초과비율은}

22.2%

이며

,

평균

6.62 mg/L,

최대

28.95 mg/L

로 나타났 다

.

채수시기별로는강우직후조사시가다소높았다

.

지하 수수질유형은

Mg-HCO

3

> Na-HCO

3

> Ca-HCO

3

> NaCl

순으로 나타났으며

, Mg-HCO

3 형태가

70%

이상으로서 인위적인오염이진행되고있다

.

질산성질소와표고및굴 착깊이간에고도의유의성이있으며

(p < 0.01),

질산성질

소와

Ca, Mg, SO

4간에 상관성이 높았다

.

질산성질소 오 염기원을 분석 결과 화학비료

52.6% >

^생활하수

26.3% >

가축분뇨

21.1%

순으로조사되었다

.

따라서지하수의질산성질소 오염을방지하기위해서는 농경지의 적절한 화학비료사용과 가축분뇨의적절한 관 리대책을 세우고지속적인지역주민 계몽이필요하다

.

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출수지

,

대한환경공학회지

,

13

(1), 97-105

이철용

,

김계현

,

이혁

, 2007, GIS

기반의자동화된오염물질배출 부하의산정과분석

,

대한환경공학회지

,

29

(8), 870-875

이용두

, 2006,

^{제주지역에서배출되는비점오염원관리방안연구}

,

Table 3.

Predicted contribution of each source to NO

3

-N concentration using

δ

15N and NO3-N at each sampling site Well ID NO

3

-N (mg/L)

δ¹⁵

N (‰) Chemical fertilizers

(%) Livestock wastes and

domestic sewages (%) Natural soil (%)

D280 4.91 14.89 1.6 90.3 8.1

F422 5.11 12.33 12.2 80.0 7.8

F246 12.90 1.11 96.9 0.0 3.1

D033 8.22 7.97 47.7 47.5 4.9

F317 6.37 6.43 57.8 36.0 6.3

F137 7.43 14.72 3.6 91.0 5.4

F135 18.45 4.55 75.8 22.0 2.2

F314 6.15 14.93 1.0 92.5 6.5

S004 4.45 7.70 45.6 45.4 9.0

F453 6.90 5.06 68.5 25.7 5.8

F128 16.80 1.84 95.9 1.8 2.4

F481 10.29 7.92 49.0 47.1 3.9

F046 6.26 6.32 58.5 35.1 6.4

F059 5.71 6.16 59.1 33.9 7.0

F090 6.08 6.30 58.4 35.0 6.6

W022 25.83 8.76 45.0 53.4 1.5

DS1 8.82 17.90 1.8 93.6 4.5

CH1 15.72 -0.44 97.5 0.0 2.5

JEIL1 13.89 7.82 50.7 46.4 2.9

Heaton T.H.F., 1986, Isotopic studies of nitrogen pollution in the hydrosphere and atomsphere, A review,

Chemical Geoloy

(

Iso- tope Geoscience Section

),

⁵⁹

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concentrations and

δ

N values of groundwater in the Miya- kojima Island,

Japanese Society of Soil Sci. and Plant Nutrition

,

66

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